磺化杂萘联苯聚醚酮酮醚酮质子交换膜材料的合成与表征

以1,4-二(3-磺酸钠-4-氟代苯甲酰基)苯(SBFBB)和4,4’-二氟二苯酮(DFK)为二卤单体,与杂萘联苯类双酚进行溶液亲核缩聚反应,通过调控SBFBB与DFK的比例,制备了一系列具有不同磺化度的高分子量磺化杂萘联苯聚醚酮酮醚酮(SPPEKKEKs)。采用红外光谱、核磁共振谱、示差扫描量热分析等对SPPEKKEKs的结构和性能进行了表征,随着磺化度增加,SPPEKKEKs的玻璃化转变温度增大。以氮甲基吡咯烷酮为溶剂制备质子交换膜,随着SPPEKKEKs的磺化度增加,质子交换膜的含水率和质子传导率增加,95℃时,质子交换膜的质子传导率均达到10-2S.cm-1,SPPEKKEKs质子交换膜具有较好的耐氧化性能。     

磺化聚醚砜/磷酸硼复合质子交换膜的制备与性能

采用sol-gel法成功制备了一系列有望用于高温质子交换膜燃料电池的新型磺化聚醚砜(SPES)/磷酸硼(BPO4)复合膜, 并经热重分析(TGA)-傅立叶变换红外光谱(FTIR)联用技术、差示扫描量热仪(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)等对膜的结构和性能进行了表征. 结果表明, 复合膜较纯SPES膜具有更高的热稳定性和玻璃化转变温度, 较低的溶胀性及较高的氧化稳定性; SEM图片显示BPO4在聚合物基体中的分布十分均匀, 这将有利于连续质子传输通道的形成; 复合膜的质子传导率随BPO4含量的增加而增加, 当温度超过120 ℃后, 复合膜仍保持着较高的质子传导率, 这表明该复合膜在高温质子交换膜燃料电池中具有良好的应用前景.     

磺化侧苯基杂萘联苯聚醚酮酮的合成与性能

以4-(3-苯基-4-羟基苯基)-2,3-二氮杂萘-1-酮(DHPZ-P)、 4-(4-羟基苯基)-2,3-二氮杂萘-1-酮(DHPZ)和1,4-二(4'-氟苯甲酰基)苯(BFBB)为原料, 经溶液亲核取代缩聚反应, 通过调节DHPZ-P和DHPZ的比例, 合成了一系列侧苯基杂萘联苯聚醚酮酮(PPEKK-P), 然后以浓硫酸为磺化剂, 制备出一系列磺化侧苯基杂萘联苯聚醚酮酮(SPPEKK-P). 利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和氢核磁共振谱(¹H NMR)对聚合物结构进行表征, 结果表明, 磺酸基团引入到聚合物链的侧苯基上. 采用溶液浇铸法制备SPPEKK-P质子交换膜. SPPEKK-P膜的吸水率、 溶胀率和质子传导率均随离子交换容量(IEC)的增加而增加, 且具有较好的耐氧化性. IEC最高的SPPEKK-P-100膜的质子传导率在95℃能达到7.44×10^-2 S/cm, 且甲醇渗透系数为5.57×10^-8 cm²/s, 阻醇性能优于Nafion117膜.     

磺化聚醚酰亚胺/聚醚砜共混型质子交换膜的制备及其性能

以磺化聚醚酰亚胺(SPEI)和聚醚砜(PES)为原料, 采用溶液共混法成功制备出了SPEI/PES共混型质子交换膜,并经热重分析、AFM、SEM等对膜的结构和性能进行了表征. 结果表明, 共混膜较纯SPEI膜具有更高的热稳定性和较低的溶胀性; 在室温环境下, 共混膜在干态和湿态时均具有优异的机械性能; 与纯SPEI膜相比, 共混膜的形态结构更为致密, 这将有利于降低甲醇的渗透性. 采用交流阻抗法和隔膜扩散法分别考察了膜的质子传导性和阻醇性能, 对于共混质量比为50/50的膜来说, 其质子传导率达到了5.5 mS·cm-1的水平, 能满足质子交换膜的需求, 但其甲醇渗透系数明显降低, 仅为市用Nafion 112膜的5%, 这表明该共混膜有望作为一种新型的直接甲醇燃料电池用质子交换膜.     

侧链型含氟磺化聚醚砜/磺化聚酰亚胺共混质子交换膜的制备及性能

制备了一类侧链型含氟磺化聚醚砜(s SPFES)与磺化聚酰亚胺(SPI)共混质子交换膜(s SPFES/SPI),研究了其吸水率、尺寸变化、质子电导率及稳定性等性能.结果表明,2种磺化聚合物以三乙胺盐型溶液共混及铸膜时相容性良好,制备的s SPFES/SPI共混质子交换膜结构均一,透明结实,离子交换容量为1.76~1.88 mmol/g.s SPFES/SPI共混质子交换膜表现出横向低于纵向的各向异性尺寸变化特性,在60℃水中横向尺寸变化率低于10%,经140℃加压水处理24 h后仍能保持较好的机械强度,质量损失低于6.1%.当温度高于50℃时,完全水合状态下的s SPFES/SPI共混质子交换膜的质子电导率均达到0.1 S/cm.     

含甲基磺化杂萘联苯聚醚砜酮质子交换膜材料的合成与性能

以4-(3,5-二甲基-4-羟基苯基)2,3-二氮杂萘-1-酮,3,3′-二磺酸钠-4,4′-二氟苯甲酮和4,4′-二氯二苯砜为原料,利用亲核缩聚反应,通过改变磺化单体的含量,制备出一系列不同磺化度的杂萘联苯聚醚砜酮(SPPESK-DM).采用FTIR、1H-NMR表征了聚合物的结构,热失重分析仪研究了聚合物的耐热稳定性,以N-甲基-2-吡咯烷酮为溶剂采用溶液浇铸法成膜研究该系列聚合物膜的性能.结果表明,SPPESK-DM磺酸基的热分解温度在260℃以上,主链分解温度在410℃以上;膜的吸水率、溶胀率、离子交换容量和质子传导率均随着磺化度的增大而增大,磺化度为1.0的SPPESK-DM50的质子传导率达到1.08×10-2S/cm(85℃),且甲醇渗透系数为2.06×10-7cm2/s,低于Nafion117膜的甲醇渗透系数(2×10-6cm2/s).此系列膜的耐氧化性比较优异,可望用于质子交换膜燃料电池中.     

含氨基磺化聚芳醚酮砜质子交换膜的制备与性能

通过四元缩聚的方法合成了带有氨基的磺化度可控的磺化聚芳醚酮砜共聚物(Am-SPAEKS). 采用红外光谱和核磁共振谱表征了Am-SPAEKS共聚物的结构. 该共聚物膜具有较好的热性能、尺寸稳定性、较高的质子传导率和阻醇能力. 在80℃时Am-SPAEKS-1膜的质子传导率达到0.0894 S/cm, 而其甲醇渗透系数在25℃时为0.24×10^-6 cm²/s, 低于相同温度下SPAEKS膜(0.87×10^-6 cm²/s)和Nafion膜(2×10^-6 cm²/s). 结果表明, Am-SPAEKS膜能够满足质子交换膜燃料电池(PEMFC)的使用要求.     

侧链型磺化聚芳醚酮质子交换膜材料的制备

本文通过对聚合物的结构设计, 采用均聚的途径将柔顺的大侧基(甲氧基苯基)引入聚芳醚酮侧链, 然后通过室温后磺化的方法成功制备出侧链型磺化聚芳醚酮材料. 此类材料表现出较好的热稳定性; 力学性能优异; 聚合物的质子传导率比报道过的类似材料有较大程度的提高; 于80 ℃时的质子传导率在0.190 S/cm以上, 超过了Nafion 117 薄膜的传导率(0.175 S/cm). 因此这类材料有望在质子交换膜领域得到应用.     

磺化聚苯醚酮质子交换膜的制备与表征

设计、合成了一种含氰基双氯单体,其结构特点是氰基分布在3个以间位醚键相连的苯环上。以此单体和2,5-二氯-3'-磺酸钠二苯甲酮为原料,利用Ni(0)催化偶联反应制备了微嵌段型质子交换膜材料(中等长度磺化聚苯-三氰基聚苯醚酮共聚物(m-SPP-co-PAEK 3CN x),x代表聚合物的离子交换容量)。结果表明,与相同离子交换容量的磺化聚合物相比,该类聚合物膜表现出较低的吸水、溶胀率和较低的甲醇渗透性能。以离子交换容量2.16为例,80℃下,m-SPP-co-PAEK 3CN 2.16的吸水率、溶胀率分别为29.7%、28.2%,而SPP-co-PAEK MO 2.33的吸水率、溶胀率分别为80.2%、37.2%。25℃下,二者的甲醇渗透系数分别为2.38和7.20。聚合物骨架结构中存在丰富的氰基基团,导致膜具有良好的尺寸稳定性和较低的甲醇渗透性能。基于这些优异的性能,新制备的膜材料在燃料电池领域显示了潜在的应用前景。     

新型交联磺化聚醚偶酰酮的合成及其物理性能

以对氟苯甲醛为原料,依次经过安息香缩合、亲核取代和脱甲氧基化反应制得二酚类单体——4,4’-二[(4-羟基)苯氧基]-二苯偶酰(3);3与4,4’-联苯二酚和3,3’-二磺酸钠基-4,4’-二氟二苯甲酮进行亲核缩聚反应,合成了一系列链状磺化聚醚偶酰酮聚合物(6a～6d)并制得质子膜(F-6a～F-6d);以3,3’-二氨基联苯胺为交联剂,6a～6d经缩环反应合成了新型交联结构的磺化聚醚偶酰酮(8a～8d)并制得具有不同离子交换容量的质子膜(F-8a～F-8d),6a～6d与8a～8d的结构经1H NMR和IR表征。物理性能研究结果表明,F-8a～F-8d具有较高的热稳定性和质子传导率。     

质子交换膜用磺化聚芳醚的合成与性能研究

合成了一种用于质子交换膜的新型磺化聚芳醚. 由于特殊单体结构的设计, 在聚合物主链上引入取代基对主链进行保护, 用氯磺酸直接磺化方法在聚芳醚高分子侧基上引入磺酸功能基, 实现了聚合物磺化结构的可控定位合成, 得到了稳定性较好的磺化聚芳醚. 用溶液浇膜法制备了质子交换膜, 考察了质子交换膜的各种性能. 结果表明, 这种膜具有良好的成膜性, 水解性稳定性和优异热稳定性能, 5%的热失重温度为362.3 ℃. 氧化稳定性在80 ℃的Fenton’s试剂(3%的过氧化氢和2 mg/L的FeSO₄)中进行, 膜在69 min时才开始变碎, 表现出良好的氧化稳定性.     

Synthesis and Characterization of Sulfonated Polyimides Containing Trifluoromethyl Groups as Proton Exchange Membranes

A novel sulfonated diamine, 4,4′‐bis(4‐amino‐3‐trifluoromethylphenoxy) biphenyl 3,3′‐disulfonic acid (F‐BAPBDS), was successfully synthesized by nucleophilic aromatic substitution of 4,4′‐dihydroxybiphenyl with 2‐chloro‐5‐nitrobenzotrifluoride, followed by reduction and sulfonation. A series of sulfonated polyimides of high molecular weight (SPI‐x, x represents the molar percentage of the sulfonated monomer) were prepared by copolymerization of 1,4,5,8‐naphathlenetetracarboxylic dianhydride (NTDA) with F‐BAPBDS and nonsulfonated diamine. Flexible and tough membranes of high mechanical strength were obtained by solution casting and the electrolyte properties of the polymers were intensively investigated. The copolymer membranes exhibited excellent oxidative stability due to the introducing of the CF₃ groups. The SPI membranes displayed desirable proton conductivity (0.52×10⁻¹–0.97×10⁻¹ S·cm⁻¹) and low methanol permeability (less than 2.8×10⁻⁷ cm²·s⁻¹). The highest proton conductivity (1.89×10⁻¹ S·cm⁻¹) was obtained for the SPI‐90 membrane at 80°C, with an IEC of 2.12 mequiv/g. This value is higher than that of Nafion 117 (1.7×10⁻¹ S·cm⁻¹). Furthermore, the hydrolytic stability of the obtained SPIs is better than the BDSA and ODADS based SPIs due to the hydrophobic CF₃ groups which protect the imide ring from being attacked by water molecules, in spite of its strong electron‐withdrawing behaviors.     

用于质子交换膜的磺化聚酰亚胺的合成与性能研究

从分子设计的角度出发, 合成了一种新型的磺化二胺单体, 通过聚合反应制备了磺酸基在侧链上的质子交换膜. 由于特殊结构的设计, 这种质子交换膜的水解稳定性和氧化稳定性均得到提高.     

磷钨酸/磺化聚醚醚酮质子导电复合膜

直接甲醇燃料电池(Direct methanol fuelcell,DMFC)作为各种用途的可移动动力源具有高效、清洁和燃料储运方便等优点,成为20世纪90年代以来研究与开发的热点。目前,这种电池的研究难点主要集中在催化剂不稳定和质子交换膜透醇上,DMFC膜不但要可传递质子和绝缘电子,还应具有     

新型磺化聚酰亚胺膜的合成与表征

合成了4,4’-二(间氨基苯氧基)联苯-3,3’-二磺酸(mBAPBDS)单体, 采用红外光谱和核磁共振等方法对其结构进行了表征. 使用mBAPBDS, 2-(对胺基苯基)苯并噁唑-5-胺(APBA)和1,4,5,8-萘四甲酸二酐(NTDA)共聚合成了含有噁唑结构的新型磺化聚酰亚胺(NTDA-mBAPBDS/APBA), 通过控制磺化二胺与非磺化二胺的比例来控制磺化程度. NTDA-mBAPBDS/APBA共聚物表现出较好的溶解性、成膜性能和良好的热稳定性, 其磺酸基团分解温度高于300 ℃. 采用溶液浇铸法制备了磺化聚酰亚胺(SPIs)膜, 对膜的吸水率、溶胀度和质子电导率等性能进行了初步的研究. 结果表明, SPIs膜具有适当的吸水率和良好的尺寸稳定性, 其室温电导率在4.72×10－3和9.60×10－3 S/cm之间, 接近于相同条件下Nafion®117的电导率(9.80×10－3 S/cm).     

Synthesis and Characterization of New Phosphorus Containing Sulfonated Polytriazoles for Proton Exchange Membrane Application

Sulfonated polytriazoles have drawn a great attention as high performance polymers and their good film forming ability. In the present study, a phosphorus containing new diazide monomer namely, bis-[4-(4′-aminophenoxy)phenyl]phenylphosphine was synthesized and accordingly, a series of phosphorus containing sulfonated polytriazoles (PTPBSH-XX) was synthesized by reacting equimolar amount of this diazide monomer (PAZ) in combination with another sulfonated diazide monomer (DSAZ) and a terminal bis-alkyne (BPALK) by the Cu (I) catalyzed azide–alkyne click polymerization. The polymers were characterized by nuclear magnetic resonance (¹H, ¹³C, ³¹P NMR) and Fourier transform infrared spectroscopic techniques. The sulfonic acid content of the copolymers also determined from the different integral values obtained from the ¹H NMR signals. The small-angle X-ray scattering results unfolded the well-separated dispersion of the hydrophilic and hydrophobic domains of the polymers. As a whole, the copolymer membranes displayed sufficient thermal, mechanical, and oxidative stabilities high with high proton conductivity and low water uptake that are essential for proton exchange membrane applications. The copolymers exhibited oxidative stability in the range of 15–24 h and had proton conductivity values were found as high as 38–110 mS cm⁻¹ at 80 °C in completely hydrated condition. Among the all copolytriazoles, PTPBSH-90 (BPALK:DSAZ:PAZ = 100:90:10) having IEC_W = 2.44 mequiv g⁻¹, showed proton conductivity as high as 119 mS cm⁻¹ at 90 °C with an activation energy of 10.40 kJ mol⁻¹ for the proton conduction. © 2020 Wiley Periodicals, Inc. J. Polym. Sci. 2020 , 58, 263–279     

用于燃料电池质子交换膜的含萘及氮杂环结构的新型磺化聚酰亚胺的合成及性能

将自制的4,4'-二氨基二苯醚-2,2'-二磺酸基(ODADS)、 含氮杂环芳香二胺1,2-二氢-2-(4-氨基苯基)-4-[4-(4-氨基苯氧基)-苯基]-二氮杂萘-1-酮(DHPZ-DA)和1,4,5,8-萘四甲酸二酐(NTDA)进行直接缩合聚合反应, 通过改变磺化二胺单体的含量来改变聚合物的磺化度, 成功地合成了一系列高分子量的不同磺化度的六元环聚酰亚胺(SPIs), 其特性粘度在0.55-1.47 dL/g. 采用FTIR和 1H NMR技术表征了聚合物的结构. 研究了经溶液浇铸成磺化聚合物膜的理化性质. 结果表明, 随着聚合物磺化度的增大, 膜的含水率和离子交换能力增大, 尺寸稳定性、 对水的稳定性以及抗氧化性降低.     

燃料电池用磺化聚砜类质子交换膜研究

聚砜类聚合物是一类具有良好应用前景的质子交换膜材料。本文对近年来磺化聚砜的制备、磺化聚砜质子交换膜的性能和磺化聚砜交联膜的研究情况做了比较全面的归纳与分析,特别是从聚砜膜的水化性能和导电性能两个大的方面对该类膜的物理性能和电化学性能进行了阐述,并对存在的问题以及研究前景进行了探讨。     

以亲核取代反应制备质子交换膜用磺化聚酰亚胺

本文先通过缩合反应合成羟端基的二酰亚胺单体, 然后利用亲核缩聚反应, 与4,4′-二氯二苯砜及3,3′-二磺酸钠基-4,4′-二氯二苯砜共聚, 制备聚合物. 该合成路线反应周期短, 对温度和溶剂等条件要求不高, 简便易得.